ES2905607B2 - Composición a base de escoria de acero inoxidable, su proceso de obtención y sus usos como material adsorbente - Google Patents

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Description

DESCRIPCIÓN
Composición a base de escoria de acero inoxidable, su proceso de obtención y sus usos como material adsorbente
La presente invención se refiere a una composición a base de escoria de acero inoxidable con extraordinaria capacidad de adsorción. Además, la invención se refiere a su proceso de obtención utilizando escoria de acero inoxidable como material de partida y a su uso como adsorbente, preferiblemente para el tratamiento de efluentes industriales y aguas residuales o para gases contaminantes.
ESTADO DEL ARTE
La fabricación de acero produce una cantidad significativa de escorias diferentes (10-15% en peso del acero producido). La escoria de acero se compone principalmente de SiO2, CaO, Fe2O3, FeO, ALO3, MgO, MnO y P2O5. La composición de las escorias siderúrgicas varía mucho de un lote a otro y depende del tipo de acero producido (por ejemplo, acero al carbono frente a aceros inoxidables) y de la calidad de las materias primas de partida y el proceso de pretratamiento (por ejemplo, escoria básica de horno de oxígeno (BOFS), escoria de horno de arco eléctrico (EAFS), escoria de refino de cuchara (LFS)). Según los datos de producción de acero de la UE para el año 2018, se generan anualmente alrededor de 16 millones de toneladas de escorias de acero, el 53% de las cuales está compuesto por BOFS, seguido de EAFS (35%) y LFS (12%). Durante mucho tiempo, las escorias se han considerado un problema, debido a los elevados costos asociados a su posterior tratamiento, almacenamiento y eliminación. Sin embargo, la percepción hacia este residuo está cambiando progresivamente. Haciendo referencia nuevamente a los datos de la UE para el año 2018, el 73% de estos subproductos se reutilizan normalmente como agregados artificiales en la construcción de carreteras y la producción de cemento, pero el 13% todavía se depositan en vertederos y el 14% aparecen como almacenamiento interno.
Para mejorar las prácticas actuales de gestión de las escorias siderúrgicas, estudios recientes se han centrado en el desarrollo de tecnologías de reciclaje, descubriendo el gran potencial de este tipo de residuos como precursor para sintetizar productos de alto valor añadido. La valorización de cantidades tan elevadas de escoria de acero es de gran importancia, tanto para la sostenibilidad de la industria metalúrgica como para el medio ambiente. Uno de los enfoques para convertir la escoria en un producto con nuevas potencialidades se centra en explorar el efecto de la carbonatación acelerada para almacenar emisiones de CO2 de fuentes puntuales. Esta conversión va acompañada de la mejora de las propiedades mecánicas, una reducción significativa de la basicidad y la estabilización de la lixiviación de metales pesados. Las BOFS se utilizan ampliamente como materiales suplementarios en cementos, teniendo los cementos tipo CEM V/B hasta un 49% de sustitución del clinker por escorias, aumentando en gran medida su durabilidad. Sin embargo, el uso de escorias de acero inoxidables (SSS), se ha visto limitado principalmente por la presencia de metales pesados.
Las escorias de acero tienen un gran potencial como precursor para sintetizar productos con características adsorbentes. Sin embargo, su composición química y heterogeneidad geométrica afectan significativamente al rendimiento final y aplicabilidad como adsorbente abundante y de bajo costo. El uso eficiente de estos materiales absorbentes de bajo costo puede convertirse en una tecnología alternativa para la remediación ambiental y, en última instancia, conduciría a una menor generación de desechos. Sin embargo, para maximizar el potencial químico y económico de este tipo de residuos, se necesitan procesos de conversión tecnológicamente viables.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
La escoria de acero se compone principalmente de SiO2, CaO, Fe2O3 , FeO, A l2O3 , MgO, MnO y P2O5; sin embargo, la composición de las escorias siderúrgicas varía mucho de un lote a otro y depende del tipo de acero producido, por ejemplo, acero al carbono vs. aceros inoxidables. La presente invención se refiere a una composición recuperada de escorias de acero inoxidable y a su proceso de obtención. La composición de material adsorbente a partir de escoria de acero inoxidable de la presente invención es una matriz de sílice porosa, en la que SiO2 está en forma amorfa. Además, la composición a base de escoria de acero inoxidable de la presente invención tiene una gran área BET y exhibe una extraordinaria capacidad de adsorción. Por tanto, la presente invención también se refiere al uso de dicha composición a base de escoria de acero inoxidable como adsorbente, preferiblemente como adsorbente para efluentes industriales y tratamiento de aguas residuales o para adsorción de gases.
Un primer aspecto de la presente invención se refiere a una composición recuperada de escoria de acero inoxidable caracterizada porque comprende
el siguiente porcentaje en peso expresado en términos de los siguientes óxidos equivalentes:
• entre 60% y 70% de SiO2,
• entre el 11% y el 15% de óxidos seleccionados de la lista constituida por Fe2O3, MgO, A l2O3, Cr2O3 y la combinación de los mismos,
donde SiO2 está en forma amorfa, y
donde dicha composición tiene
• un volumen de poro medio de entre 0,6 cm3 / g y 1 cm3 / g.
• y un diámetro medio de poro de entre 14 nm y 16 nm.
Los óxidos dependen de la composición de la escoria que puede variar de un lote a otro. Un ejemplo de composición es:
• entre 60% y 70% de SiO2,
• entre 1% y 2% de Fe2O3
• entre 1% y 2% de MgO,
• entre 6% y 7% de AhO3,
• entre 3% y 4% de Cr2O3
La isoterma de adsorción-desorción de N2 de la composición recuperada de escoria de acero inoxidable de la invención se midió usando un aparato volumétrico convencional (ASAP2010) a 77 K para determinar el área superficial equivalente (área BET) y la distribución del tamaño de poro correspondiente se calculó de acuerdo con Barrett. -Ecuación de Joyner-Halenda (BJH).
Un área BET de 200±50 m2/ g se obtuvo para el material de adsorción a base de escoria de acero inoxidable de la invención, exhibiendo una extraordinaria capacidad de adsorción.
El segundo aspecto de la presente invención se refiere a un proceso de obtención de la composición recuperada de escoria de acero inoxidable caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
a) moler escoria de acero inoxidable y tamizar el tamaño de partícula superior a 125 nm,
b) tratamiento con ácido clorhídrico de la escoria de acero inoxidable triturada obtenida en la etapa (a) a una temperatura de entre 50 °C y 60 °C, durante un período de entre 3 hy 4 h,
c) precipitación alcalina del líquido obtenido en el paso (b) a un pH entre 11,9 y 12,1,
d) envejecimiento del precipitado obtenido en la etapa c) a una temperatura entre 80 °C y 100 °C durante un período de al menos 18 h,
e) lavar el precipitado obtenido en la etapa (d) con agua, y
f) secar el precipitado obtenido en la etapa (e) a una temperatura entre 90 °C y 100 °C durante un período de entre 24 hy 28 h.
La composición recuperada de escoria de acero inoxidable de la invención es una matriz de sílice porosa, en la que SiO2 está en forma amorfa. El hecho de que el Ca desapareciera durante el tratamiento con HCl se atribuyó a la formación de CaCL soluble, que se eliminó mediante lavado. La posterior adición de un exceso de NaOH puede conducir a la precipitación de componentes que contienen Mg y Si, debido a su insolubilidad en solución alcalina.
El tratamiento ácido con ácido clorhídrico (tratamiento ácido con HCl) del paso (a) se realiza a una temperatura de entre 50 °C y 60 °C. Para evitar la gelificación, la solución debe agitarse fuertemente. Se prefieren concentraciones de ácido HCl de entre 2 M y 4 M.
La siguiente precipitación alcalina de la etapa (b) se realiza preferiblemente usando una solución acuosa de NaOH y añadiendo dicha solución gota a gota. Se prefiere una concentración de solución acuosa de NaOH de entre 2 M y 4 M hasta alcanzar un pH de 11,9-12,1.
La etapa de envejecimiento (c) es crucial para la precipitación de componentes que contienen Mg y Si.
El último aspecto de la invención se refiere al uso de la composición recuperada de escoria de acero inoxidable como material adsorbente. Por tanto, la presente invención podría ser interesante para la eliminación de iones de metales pesados y amonio.
En una realización preferida del uso de la composición recuperada de escoria de acero inoxidable como material adsorbente para efluentes industriales y tratamiento de aguas residuales. El producto sintetizado tiene capacidad de intercambio iónico para cationes como el amonio y los iones de metales pesados (Hg, Pb, Ag, Cu, Cd, Cr, Zn, Ni, Co y Mn). Además, la composición adsorbente recuperada de escoria de acero inoxidable podría aplicarse para la adsorción de aniones y sustancias orgánicas de una solución acuosa. Los iones ácidos pueden ser NO3- , SO42- , PO43- , F-, CIO4- , CN-, que están presentes en gran medida en las aguas residuales. Otros aniones inorgánicos importantes incluyen Cr (V) con CrO42- , C r2O72-formas, y As (V) con H2AsO42- , HASO4-y As (III), que son especies tóxicas fuertes en el sistema de agua. Los contaminantes orgánicos pueden ser pesticidas, fertilizantes, hidrocarburos, fenoles, plastificantes, bifenilos, detergentes, aceites, grasas, productos farmacéuticos, etc.
El otro uso preferente de la composición recuperada de escoria de acero inoxidable es como material adsorbente para gases contaminantes.
A menos que se defina lo contrario, todos los términos técnicos y científicos usados en este documento tienen el mismo significado que el comúnmente entendido por un experto en la técnica a la que pertenece esta invención. En la práctica de la presente invención se pueden usar métodos y materiales similares o equivalentes a los descritos en este documento. A lo largo de la descripción y las reivindicaciones, la palabra "comprende" y sus variaciones no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Objetos, ventajas y características adicionales de la invención resultarán evidentes para los expertos en la técnica tras el examen de la descripción o se pueden aprender mediante la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración y no pretenden limitar la presente invención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
FIG. 1. Diagrama de flujo de los tratamientos ácido-base de la escoria bruta de acero inoxidable (SSS).
FIG. 2. Patrones XRD de SSS en bruto y muestras tratadas con tres tratamientos ácidobase HCl, HNO3 y H2SO4. Los materiales obtenidos se designaron según el ácido empleado: SS-X, X = Cl, NO3 , SO4.
FIG. 3. Composición del análisis elemental de SSS en bruto y muestras tratadas SS-X, X = Cl, NO3 , SO4.
FIG. 4. Espectros FTIR de las muestras sin procesar (SSS) y tratadas SS-X, X = Cl, NO3 , SO4.
FIG. 5 imágenes SEM con un aumento de * 1000 de (a) SSS, (b) SS-NO3 , (c) SS-Cl y (d) SS-SO4.
FIG. 6. Isotermas de adsorción-desorción de N2 de las muestras originales (SSS) y tratadas SS-X, X = Cl, NO3 , SO4 y el carbón activado de referencia AC.
FIG. 7. Evolución temporal de los espectros de absorción de las soluciones de MB (azul de metileno) para (a) Blanco, (b) SSS, (c) SS-Cl, (d) SS-NO3 , (e) SS-SO4 y (f) AC.
FIG. 8. Perfiles de tiempo de absorbancia de la solución MB medidos en (a) Monómero, (b) dímero y (c) trímero.
FIG. 9. Porcentaje y cantidad adsorbida de MB de todas las muestras Blanco, SSS, SS-Cl, SS-NO3 , SS-SO4 y AC durante el tiempo de la prueba de adsorción.
FIG. 10. Relación entre el área de superficie BET y la cantidad de MB adsorbido por gramo de cada muestra a 1 hora de prueba.
FIG. 11. Espectros FTIR de varias muestras antes y después de la adsorción de MB: a) SSS; b) SS-Cl; c) SS-NO3.
EJEMPLOS
Se exploraron tres tratamientos ácido-base usando uno de los siguientes ácidos: HCl, HNO3 y H2SO4 y el procedimiento mostrado en la FIG. 1. Los materiales obtenidos se designaron según el ácido empleado: SS-X, X = Cl, NO3 , SO4.
Antes de los tratamientos, la escoria de acero inoxidable (SSS) se molió en un molino Micro Fine Mill a 5000 rpm y se tamizó utilizando una malla de 120 pm. Un peso de5,0 g de SSS molido se disolvió en 100 ml de solución ácida 3M. Para evitar la gelificación, la solución se agitó fuertemente durante 3 ha 50°C. Después de eso, se añadió gota a gota solución acuosa 4 M de NaOH hasta que el pH alcanzó 12 ± 0,1. El volumen se ajustó a 200 ml con agua seguido de agitación a100°Chasta que se seque a las 18h. El sólido formado se trituró, se enjuagó tres veces con 200 ml de agua y se secó en un horno a 100°C durante la noche. El rendimiento del proceso fue de 5,4 g, 6,5 g y 8,2 g para SS-Cl, SS-NO3 y SS-SO4 , respectivamente.
Métodos de caracterización de las muestras
Los patrones de difracción de rayos X se obtuvieron utilizando un difractómetro Bruker D8 Advance con radiación CuKa (40 kV, 30 mA). El análisis elemental de las muestras se realizó mediante fluorescencia de rayos X (XRF) utilizando un Bruker S8 Tiger de fluorescencia de rayos X. La morfología superficial y el análisis de la composición de las muestras se realizaron mediante microscopio electrónico de barrido (SEM, sistema JSM-6700F) equipado con un espectrómetro de fluorescencia de rayos X de dispersión de energía (EDX), mediante el cual se realizó el análisis óptico y mapeo elemental. Se realizó un análisis detallado de la estructura de las muestras mediante espectroscopia infrarroja utilizando un equipo Nicolet 6700 de Thermo Scientific.
Las isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno se obtuvieron usando un aparato volumétrico convencional (ASAP2010) a 77 K. Las gráficas BET lineales (SBET) se usaron para determinar el área superficial equivalente y la distribución del tamaño de poro de las muestras se calculó por el método BJH. También se probó el carbón activado (AC) para comparar los resultados con una referencia. La muestra de AC también se molió en un molino Culatti Micro Fine Mill a 5000 rpm y se tamizó usando una malla de 120 ^m.
Las pruebas de adsorción se realizaron utilizando azul de metileno (MB), que se eligió debido a la carga pura en una solución de pH (pH = 8,0), y se compararon con SSS y AC sin tratar. Antes de las pruebas, todas las muestras se precalentaron a 363 K para eliminar el H2O fisisorbido.
En una primera prueba, se evaluó el rendimiento de adsorción mezclando la muestra sólida (30 mg) con solución MB (10 ml, 30 ppm) en recipientes de vidrio sellados colocados en un rotador durante hasta 240 h a 50 rpm. A intervalos de tiempo predeterminados, se tomaron alícuotas y posteriormente se centrifugaron para eliminar la muestra sólida. La disminución de la absorbancia de la solución sobrenadante se determinó usando espectroscopia Shimadzu UV-Vis. La concentración de azul de metileno se determinó a 668 nm usando una línea de calibración en el rango de 0-10 mg / l.
La eficiencia de adsorbancia (%) para MB se determinó a partir de la siguiente fórmula:
(%) = (C°~0Ct) x 100. (1)
La cantidad de azul de metileno adsorbido en equilibrio, q (mg / g), se obtuvo de la siguiente manera (Ec. 2)):
q = (c°~Ct)xV (2)
1 m
donde, C0 y Ct son las concentraciones de MB (mg / l) en los tiempos 0 y t respectivamente, V es el volumen de la solución (l) y m es el peso de la muestra sólida (g).
En la segunda prueba, las muestras (50 mg) se saturaron usando una disolución concentrada del tinte MB (250 ml, 70 ppm) en recipientes sellados colocados en un rotador durante 2 semanas (336 horas) a 50 rpm. Luego de filtrar y secar a 100° C durante la noche, las muestras sólidas fueron analizadas por FTIR (Espectrómetro Thermo Scientific Nicolet 6700) para identificar el grupo funcional que participa en la adsorción de iones colorantes en la superficie.
Caracterización de las muestras
• Patrones XRD
FIG. 2. muestra los patrones XRD de las muestras tratadas (SS-X), junto con el material SSS en bruto. SSS exhibe picos de difracción correspondientes a fases minerales como Akermanita (Ca2Si2MgO7), Merwinita (Ca3Si2MgO8), Calcita (CaCO3), Periclasa (MgO) y algunas mezclas metálicas (AlFeO3, Fe2O3 y CrMgO4 y estructura de espinela Mg-Al-Cr).
Los patrones de difracción de las muestras tratadas son bastante diferentes con respecto a la muestra SSS. La primera observación es que hay menos fases presentes en las muestras tratadas. Algunas de las fases en SSS han desaparecido, como consecuencia de los tratamientos con ácidos fuertes y se presentan algunas fases nuevas.
La muestra tratada con HCl (SS-Cl) presenta alto carácter amorfo con fases cristalinas poco definidas identificadas como magnesiocromita (MgCr2O4), melanita (Ca3 (Fe3+) 2 (SiO4)3) y estructura de espinela cúbica Mg-Al-Fe-Cr.
SS-NO3 y SS-SO4 , no exhibieron estructura amorfa, siendo la fase cristalina mayoritaria identificada en SS-NO3, nitratina (NaNO3), relacionada con la interacción del correspondiente tratamiento ácido y posterior adición de NaOH. También se pudo observar vaterita (polimorfo de CaCO3) y una estructura de mezcla de Mn-Ti-V-Zr. Las muestras tratadas con H2SO4 (SS-SO4) presentaron tenardita (Na2SO4) y glauberita (Na2Ca(SO4)2), como productos de los tratamientos.
• Composición elemental
La composición elemental de las muestras tratadas (SS-X) y las muestras SSS sin tratar se muestran en la FIG. 3. Los principales componentes de SSS fueron CaO, SiO2 , MgO, Al2O3 y pequeñas cantidades de metales de transición como Fe, Cr, Ti y Mn. La composición estuvo de acuerdo con los resultados de XRD.
Las muestras de SS-Cl consistieron principalmente en SiO2 en forma amorfa (~ 70%). El hecho de que el Ca desapareciera durante el tratamiento se atribuyó a la formación de CaCl2 soluble, que se eliminó mediante lavado. La posterior adición de un exceso de NaOH puede conducir a la precipitación de componentes que contienen Mg y Si, debido a su insolubilidad en solución alcalina.
Los tratamientos con HNO3 (SS-NO3) y H2SO4 (SS-SO4) provocaron disminución tanto de CaO como de SiO2 y formación de otros compuestos, que no se lixiviaron durante el lavado. Suponemos que se formaron nitratos solubles durante los tratamientos con HNO3 ya que el XRF no detectó nitrógeno. En el tratamiento con H2SO4 , se podrían formar SO3 y Na2O, a partir de la adición del ácido y del subsiguiente NaOH, respectivamente.
Los resultados de FTIR (Figura 4) mostraron una buena correlación con el análisis de composición. El aumento de la concentración de Si después del tratamiento con HCl correspondió al aumento de las bandas de vibración de deformación del Si-O-Si. Además, la banda de 512 cm-1, que se atribuyó a las vibraciones de varios enlaces metal-oxígeno como FeO, MgO y también Si-O-Al, desapareció después del tratamiento con HCl, pero apareció la banda de 874 cm-1. Este último podría estar asociado con AlFe3 OH y varios enlaces C = C y C = O. La banda ancha a 964 cm-1 puede deberse a la superposición de varias bandas de vibración de grupos metilo de la superficie, COC y C = C. Esto está en línea con el aumento general de las bandas correspondientes a los hidrocarburos sp2 y sp3 en el SS-Cl.
Las muestras de SS-NO3 mostraron una contribución significativa del CO2 adsorbido y las bandas de carbonato que concuerdan con las observaciones de vaterita (carbonato de calcio) en el espectro XRD de SS-NO3. La banda de baja intensidad a 835 cm -1 podría corresponder a nitratos. En el espectro del SS-SO4 dominaban las bandas de sulfato, de acuerdo con los datos de FRX. Además, todos los espectros mostraron las bandas de H2O unida.
Las imágenes SEM de muestras sin procesar y tratadas con un aumento de * 1000 se muestran en la FIG. 5. (a-d). Todas las muestras tenían una estructura heterogénea con grandes racimos y pequeños granos detríticos. Para todos los tratamientos, la morfología de la muestra difirió significativamente de la SSS original. Entre las muestras tratadas, SS-NO3 y SS-SO4, de acuerdo con la XRD, presentan formaciones cristalinas de nitrato y sulfato, respectivamente, distribuidas en toda la muestra. La macroporosidad de estas muestras es más abierta que en el caso de SS-Cl, cuya estructura es más amorfa, exhibiendo una porosidad aparente más refinada.
FIG. 6. muestra la isoterma de adsorción-desorción de N2 de todas las muestras y la distribución de tamaño de poro correspondiente calculada según la ecuación de Barrett-Joyner-Halenda (BJH). La referencia de carbón activado (AC) mostró una isoterma de tipo I reversible con una fuerte absorción a muy bajo p / p0 debido a microporos estrechos y superficies externas relativamente pequeñas. El SSS y el SS-SO4 exhibieron isotermas similares al tipo III con interacciones adsorbente-adsorbato relativamente débiles. A su vez, las isotermas para SS-NO3 y SS-Cl eran de tipo II, es decir, fisisorción de gases sobre adsorbentes no porosos o macroporosos. Todas las muestras tratadas mostraron un pequeño bucle de histéresis de tipo H3, que es característico de los agregados no rígidos de partículas en forma de placa o de una red de macroporos incompleta.
Tabla 1. Resumen de la superficie BET, el volumen de poros y el diámetro medio de los poros de las muestras analizadas y de un número seleccionado de adsorbentes comerciales
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(a) La presente invención
(b) Yu, J., W. Liang, L. Wang, F. Li, Y. Zou and H. Wang (2015). "Phosphate removal from domestic wastewater using thermally modified steel slag." Journal of Environmental Sciences 31: 81-88.
(c) Kuwahara, Y., S. Tamagawa, T. Fujitani and H. Yamashita (2013). "A novel conversion process for waste slag: synthesis of calcium silicate hydrate from blast furnace slag and its application as a versatile adsorbent for water purification." Journal of Materials Chemistry A 1(24): 7199-7210.
(d) Cheng, M., G. Zeng, D. Huang, C. Lai, Y. Liu, C. Zhang, R. Wang, L. Qin, W. Xue and B. Song (2018). "High adsorption of methylene blue by salicylic acid-methanol modified steel converter slag and evaluation of its mechanism." Journal of colloid and interface science 515: 232-239.
(e) Kuwahara, Y., A. Hanaki and H. Yamashita (2020). "A direct conversion of blast furnace slag to a mesoporous silica-calcium oxide composite and its application in CO 2 captures." Green Chemistry.
(f) HKwahara, Y., T. Ohmichi, T. Kamegawa, K. Mori and H. Yamashita (2010). "A novel conversion process for waste slag: synthesis of a hydrotalcite-like compound and zeolite from blast furnace slag and evaluation of adsorption capacities." Journal of Materials Chemistry 20(24): 5052-5062.
(g) Buekens, A. and N. Zyaykina (2001). "Adsorbents and adsorption processes for pollution control." Pollution control technologies 2.
La Tabla 1 enumera las principales propiedades de textura de las muestras probadas. De acuerdo con las isotermas de fisisorción, el SSS y el SS-SO4 tenían menor área BET y baja porosidad con gran diámetro de poro. La superficie BET de SS-Cl y SS-NO3 es más de 67 y 32 veces mayor respectivamente que la del SSS sin modificar, lo que puede implicar una mayor capacidad de adsorción. La muestra de carbón activado (AC) de referencia tenía el área de superficie BET más alta, pero el orden de magnitud es el mismo que las muestras SS-Cl y SS-NO3 preparadas. Según estos resultados, el tratamiento con H2SO4 arrojó los peores resultados entre todos.
Al compararlo con la literatura de materiales a base de escoria modificada (Tabla 1), se revela que el material SS-Cl tal como se preparó mostró el área de superficie más alta, superando otros estudios reportados anteriormente, incluso muchos que también usan los mismos reactivos (disolución y -tratamiento de coprecipitación: HCl -NaOH). Solo, el estudio de Kuwahara et al (f). informó los resultados más altos del área BET. Sin embargo, esta conversión propuesta requiere una separación de la sílice residual de BFS mediante un tratamiento hidrotermal y el uso de reactivo adicional NaAlO2 , lo que resulta en una disminución del rendimiento de la producción y un aumento de los costos.
Las propiedades físicas representativas de un número seleccionado de adsorbentes comerciales también se resumen en la Tabla 1. Muestra que los valores informados de área de superficie en adsorbentes comerciales son en general mayores que los valores medidos en este estudio, pero SS-Cl y SS-NO3 están en el mismo orden de magnitud. Además, las muestras analizadas mostraron un diámetro de poro mayor que los valores reportados de adsorbentes comerciales. Las muestras de SS-Cl y SS-NO3 muestran valores solo comparables con los del gel de sílice de poro grande. Los resultados comparables obtenidos señalan que los procesos de conversión del estudio pueden permitirnos fabricar adsorbentes potenciales a partir de residuos SSS a través de componentes químicos de baja complejidad, a bajo costo, que cumplirían con el requisito de producción en masa.
Pruebas de adsorción
Los espectros de adsorción de las soluciones de azul de metileno (MB) durante las pruebas de adsorción de las muestras en diferentes momentos se muestran en la FIG.
7. (a-f). Al principio, los espectros mostraban dos fuertes picos de MB con la máxima absorción a ~ 668 nm y un pequeño hombro a ~ 620 nm que se atribuyó a las bandas características de los monómeros y dímeros de MB en solución, respectivamente. De acuerdo con el área BET pequeña de la muestra SS-SO4 , no se produjo adsorción de MB, pero el tinte se adsorbió rápidamente en el AC por la elevada área BET de esta muestra. Para SSS, SS-Cl y SS-NO3 , tanto las bandas de monómero como las de dímero disminuyeron durante la prueba, mientras que apareció una banda ancha por debajo de 609 nm. Esta banda puede considerarse una indicación de agregación molecular de MB en la superficie de las muestras, que puede asignarse a las estructuras de los trímeros.
Para comprender mejor este comportamiento, los espectros de adsorción se ajustaron mediante los picos correspondientes a cada forma de MB (monómero, dímero y trímero) como se muestra en la FIG. 8. (a-c). La absorbancia a 620 nm, correspondiente a las estructuras dímeras, no cambió ni aumentó al comienzo de las pruebas para SSS, SS-Cl y SS-NO3. La banda del trímero a 575 nm alcanzó el máximo en la mitad de la prueba para SS-Cl y SS-NO3 , y en la fase final de la prueba para SSS. Estas estructuras pueden resultar del impedimento estérico y muestran una tasa de difusión más baja en comparación con los monómeros MB. Sin embargo, a mayor duración de la adsorción, las estructuras de aglomerado de MB pueden superar la resistencia a la difusión entre las fases acuosa y sólida.
El porcentaje de adsorción y la cantidad de MB adsorbido por gramo de muestra se calcularon a partir de la banda de monómero a 668 nm (Figura 9). La adsorción de MB sobre carbón activado (AC) se completó durante las primeras 24 horas alcanzando el equilibrio en el máximo de 9,72 mg / g. Esto se debe a la alta carga superficial negativa, la estructura microporosa ordenada y la gran superficie.
Las muestras de SS-Cl y SS-NO3 también mostraron una capacidad de adsorción significativa en comparación con SSS. La capacidad de adsorción mejorada de estas muestras está relacionada con la mejora del área BET y los parámetros de volumen de poros, proporcionando así más sitios de adsorción para la eliminación de MB. Si bien en un inicio la capacidad de adsorción fue menor que para AC lo que podría estar relacionado con el impacto negativo de las aglomeraciones de MB en la superficie, el SS-Cl y el SS-NO3 alcanzaron valores de adsorción del 96% y 93%, respectivamente (9.35 mg / g y 8,97 mg / g respectivamente, en valor absoluto). La adsorción máxima para SSS fue del 74% (7,17 mg / g). Todas las muestras con excepción de AC no alcanzaron el estado de adsorción estable durante la prueba. En el caso de SS-SO4 , la adsorción de MB fue insignificante, debido al pequeño volumen de poros y al área BET menor incluso que para el SSS sin tratar. La buena relación lineal entre la capacidad de adsorción y el área superficial BET (Figura 10) (R2 = 0,99) demostró que la cantidad de sitios superficiales disponibles es el parámetro crítico que gobierna la capacidad de adsorción de las muestras. Por tanto, el potencial zeta no parece tener en este caso ninguna importancia para la capacidad de adsorción.
Para proporcionar más información sobre la adsorción de MB en varias muestras, se llevó a cabo un análisis FTIR después de la adsorción del colorante en una segunda prueba de adsorción (250 ml, 70 ppm, 336 h) (Figura 11). Los datos se muestran solo para las muestras SSS, SS-Cl, SS-NO3 , que demostraron previamente una capacidad de adsorción considerable.
En la muestra SSS, la adsorción de MB no tuvo ningún efecto notable, lo que sugiere que la adsorción de moléculas de tinte en SSS es a través de una interacción electrostática débil o fuerzas de Van der Waals. La adsorción de MB tanto en SS-Cl como en SS-NO3 provocó una variación significativa de los espectros FTIR y estas variaciones fueron diferentes entre las muestras.
En el espectro del SS-Cl, la banda ancha inicial de vibración de deformación del CH desapareció y fue sustituida por varias bandas débiles y estrechas idénticas a las del MB puro, que se atribuyeron a CH y C = S . Sin embargo, el espectro FTIR no es una superposición de los espectros del sustrato y MB puro, ya que faltaban otras bandas de MB, mientras que aparecían nuevas bandas. La nueva banda ancha y fuerte centrada en 1100 cm -1 podría deberse a las contribuciones de amina, CO y enlaces terciarios de metilo o metil-Al. De manera similar, la banda a 800 cm -1 se atribuyó a Si-C y ésteres insaturados, incluidos los aromáticos. Estos hallazgos sugieren que el MB puede adsorberse en SS-Cl a través de anillos aromáticos que no afectan la vibración del enlace C = S.
En el caso de SS-NO3 , no se encontraron bandas que pudieran estar directamente relacionadas con MB. Las bandas de carbonato iniciales desaparecieron, mientras que una banda ancha de varios enlaces de hidrocarburos sp2 y sp3 se intensificó. Una banda estrecha a 875 cm-1 se atribuyó a los dobles enlaces C = O y C = C, mientras que una banda ancha a 1024 cm -1 se puede asociar con vibraciones de estiramiento de CO y Si-O. Además, ambas muestras mostraron bandas de H2O más fuertes después de la adsorción de MB. Hay un cambio notable de las intensidades de las bandas infrarrojas sin cambios de posición. Estos resultados indicaron una participación preferencial de ciertos grupos funcionales en la adsorción de iones colorantes en la superficie de las muestras tratadas.

Claims (5)

REIVINDICACIONES
1. Una composición recuperada de escoria de acero inoxidable que comprende el siguiente porcentaje en peso expresado en términos de los siguientes óxidos equivalentes:
• entre 60% y 70% de SiO2,
• entre el 11% y el 15% de óxidos seleccionados de la lista constituida por Fe2O3, MgO, Al2O3, Cr2O3 y la combinación de los mismos,
donde SiO2 está en forma amorfa, y
donde dicha composición tiene
• un volumen de poro medio de entre 0,6 cm3 / g y 1 cm3 / g.
• y un diámetro medio de poro de entre 14 nm y 16 nm.
2. Proceso de obtención de la composición recuperada de escoria de acero inoxidable según reivindicación 1 comprende las siguientes etapas.
a) moler escoria de acero inoxidable y tamizar el tamaño de partícula superior a 125 nm,
b) tratamiento con ácido clorhídrico de la escoria de acero inoxidable triturada obtenida en la etapa (a) a una temperatura de entre 50 °C y 60 °C, durante un período de entre 3 hy 4 h,
c) precipitación alcalina del líquido obtenido en el paso (b) a un pH entre 11,9 y 12,1,
d) envejecimiento del precipitado obtenido en la etapa c) a una temperatura entre 80 °C y 100 °C durante un período de al menos 18 h,
e) lavar el precipitado obtenido en la etapa (d) con agua, y
f) secar el precipitado obtenido en la etapa (e) a una temperatura entre 90 °C y 100 °C durante un período de entre 24 hy 28 h.
3. Uso de la composición recuperada de escoria de acero inoxidable según la reivindicación 1 como material adsorbente.
4. Uso de la composición recuperada de escoria de acero inoxidable según la reivindicación 3 como material adsorbente para el tratamiento de efluentes industriales y aguas residuales.
5. Uso de la composición recuperada de escoria de acero inoxidable según la reivindicación 3 como material adsorbente para gases contaminantes.
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KR20110076087A (ko) * 2009-12-29 2011-07-06 재단법인 포항산업과학연구원 스테인레스 제강 슬래그를 이용한 배가스중 수은 제거 방법
UA106113C2 (uk) * 2010-03-05 2014-07-25 Лоеше Гмбх Спосіб переробки шлаків із нержавіючої сталі та сталеливарних шлаків для добування металу
CN102836697A (zh) * 2012-09-04 2012-12-26 中国科学院唐山高新技术研究与转化中心 不锈钢废渣复合吸附剂及其制备方法
CN106268572B (zh) * 2016-07-16 2017-12-08 沈阳理工大学 一种以固体废弃物为原料制备层状氢氧化物的方法
AU2020101973A4 (en) * 2020-08-25 2020-10-01 Taiyuan University Of Technology An adsorbent for acid old kiln water and its preparation and application

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